[发明专利]一种制备高光催化活性核壳结构TiO2材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备高光催化活性核壳结构TiO₂材料的方法，属于纳米无机材料及光化学材料领域。

背景技术

TiO₂在光化学领域有着十分广泛的应用，尤其是在光催化剂中，受到众多科研工作者的重视。随着21世纪经济的不断发展，环境以及能源瓶颈问题愈发变得突出，对环境友好型材料以及新能源的研究也变得愈发紧迫。所有能源中氢气作为唯一无污染可再生的能源，无疑是继石油、煤和天然气等非再生能源以后新一代被广泛采用的能源。氢能比能量密度高，燃烧的产物是水，不会产生环境污染。

在众多的光催化材料（包括ZnO、SnO₂、WO₃等氧化物及CdS、ZnS等硫化物）中，TiO₂具有无毒、性能稳定、价格低廉、高光催化活性可分解目标物等特点，被认为是一种优良的光催化剂，已经被广泛地应用于光催化、光反应变色、光生伏打和电变色领域。有效地利用清洁、安全和丰富的太阳能不仅能解决人类面临的能源危机，而且也将解决日益严重的环境污染问题。

TiO₂基光催化材料实用化的主要问题在于：TiO₂禁带较宽，光能利用率较低，对太阳光的吸收局限于紫外区，光能利用率不到3％。针对这一问题国内外研究人员做了大量的研究工作，通过探索催化过程机理，发展了多种改性方法，对TiO₂进行改性，包括还原Ti（IV）生成Ti（III），都不同程度的拓展了TiO₂的光响应范围，提高了其可见光光催化活性。但是相关方法涉及高温、高压、耗时较长，需要贵重金属等不利因素。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种制备高光催化活性核壳结构TiO₂材料的方法。利用一种简单可行的操作方法，将TiO₂晶体表面部分Ti⁴⁺被还原成Ti³⁺，同时形成一层非晶态，得到具有高催化活性的TiO₂催化剂材料。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种制备高光催化活性核壳结构TiO₂材料的方法，通过超声、加热或微波处理晶态TiO₂材料的悬浮液，一步将其转换成具有晶体内核和无定型壳层的核壳结构TiO₂材料；具有以下制备过程和步骤：将反应物晶态TiO₂与溶剂混合均匀，反应体系为固相-液相体系，对反应体系进行超声、加热或微波处理；反应过程中，反应物TiO₂材料表面吸附溶剂中的羟基，在超声、加热或微波的作用下，TiO₂晶体表面部分Ti⁴⁺被还原成Ti³⁺，同时形成一层非晶态，得到具有高催化活性核壳结构TiO₂材料。

所述溶剂为pH值为3~14的水溶液或醇溶液或其混合溶液。

反应物原料采用晶态TiO₂材料（如商业二氧化钛纳米材料P25, 是利用气相沉积法得到的锐钛矿与金红石以80：20为比例的混晶，性能优异）。在制备过程中，只是利用一些简单的溶剂，并未掺杂一些重金属离子达到改性目的。因此改性后仍然保持无污染，绿色环保优异特性。得到的核壳结构TiO₂光催化剂材料，具有无定型非晶态壳层及包覆的晶化TiO₂内核，反应前后粒径无明显改变。反应后颜色由白色变为灰黄色等深颜色，同时具有氧空位与三价钛离子等特征，吸光区域由紫外区域拓宽到可见光区域，极大地提高了光利用率，同时具有十分优秀的催化活性。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明在制备过程中采用微波技术、超声技术以及直接烘箱加热等简单操作方式，结合固相-液相反应，操作方法非常简单新颖可行，不利用其他贵重金属元素，对环境无污染，耗能低，绿色环保、生产成本低，具有商业规模化生产潜力。

附图说明

图1为本发明所得核壳结构TiO₂光催化剂材料的高倍透射电子显微镜（HR-TEM）照片图。

图2为本发明所得核壳结构TiO₂光催化剂材料的电子顺磁共振能谱（EPR）分析图。

图3为本发明所得核壳结构TiO₂光催化剂材料的光催化制氢性能图。